老齡海底油氣管道棄置決策研究*

楊　慧，李新宏，陳國(guó)明，朱紅衛(wèi)

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東 青島 266580)

0　引言

近年來(lái)，由于服役年限的增長(zhǎng)，我國(guó)不少海底油氣管道已陸續(xù)進(jìn)入老齡服役階段。具不完全統(tǒng)計(jì)，僅中海油總公司已有約1/5的海底管道已進(jìn)入或即將進(jìn)入超期服役階段，如何處置海底管道中使用壽命過(guò)長(zhǎng)、性能大幅降低的老齡管道是海底管道系統(tǒng)管理應(yīng)關(guān)注的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外對(duì)管道的設(shè)計(jì)、建造、維護(hù)環(huán)節(jié)較為重視，而管道棄置報(bào)廢作為管道全壽命、全系統(tǒng)管理的最后階段卻常被忽視。如何根據(jù)老齡海底油氣管道的服役狀態(tài)，作出延壽使用或棄置報(bào)廢的決策，合理發(fā)揮其結(jié)構(gòu)潛能、避免作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，成為老齡海底管道面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)老齡海底管道的研究集中在管道可靠性評(píng)估[1-5]、失效風(fēng)險(xiǎn)分析[6-7]、剩余壽命研究[8-9]及延壽維修[10]等方面。W·Kent MUHLBAUER[11]提出肯特模型，定量計(jì)算管道的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值，對(duì)油氣管道進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；Noor N M等[12]基于半可靠性方法預(yù)測(cè)腐蝕管道的剩余壽命；李秀美等[13]總結(jié)了1套基于安全系統(tǒng)理論的陸上老齡油氣管道安全壽命預(yù)測(cè)的方法，從風(fēng)險(xiǎn)角度對(duì)老齡油氣管道進(jìn)行全面評(píng)估，根據(jù)最終風(fēng)險(xiǎn)打分評(píng)價(jià)進(jìn)行延壽和報(bào)廢決策，未考慮成本效益因素。

鑒于目前國(guó)內(nèi)還未對(duì)老齡海底管道棄置決策定量模型進(jìn)行研究，以下在考慮老齡海底管道風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，從安全經(jīng)濟(jì)學(xué)角度引入延壽成本效益因素，基于多屬性效用理論，分析影響老齡海底管道棄置決策的因素，建立老齡海底管道棄置決策模型，該模型對(duì)老齡海底油氣管道棄置作業(yè)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1　老齡海底管道棄置決策方法

1.1　老齡海底管道棄置決策流程

老齡海底管道是否棄置綜合考慮管道服役后期風(fēng)險(xiǎn)和維修延壽成本之間，是個(gè)風(fēng)險(xiǎn)效益最優(yōu)化問(wèn)題。老齡海底管道在過(guò)去的服役狀況、現(xiàn)役的狀態(tài)維護(hù)和未來(lái)的延壽成本之間，存在著影響管道最優(yōu)經(jīng)濟(jì)壽命的不確定性信息和因素，如何處理這些復(fù)雜不確定性信息和因素是老齡海底管道棄置決策的關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容。

根據(jù)多屬性效用理論，確定決策目標(biāo)，建立屬性樹進(jìn)行影響因素評(píng)估，基于模糊理論綜合不同專家打分確定因素權(quán)重，可減少主觀因素對(duì)決策的影響，避免傳統(tǒng)單值評(píng)價(jià)帶來(lái)偏差較大的問(wèn)題?？紤]決策的經(jīng)濟(jì)性，用成本效益率合理量化成本因素，建立老齡油氣管道棄置決策模型評(píng)分準(zhǔn)則，計(jì)算模糊綜合評(píng)分。老齡海底油氣管道棄置決策模型的構(gòu)建流程如圖1所示。

圖1　老齡海底管道棄置決策的結(jié)構(gòu)流程Fig.1　Structural process of aging submarine pipeline abandondecision-making model

1.2　多屬性效應(yīng)理論

多屬性效用理論[14]為量化決策分析方法提供了依據(jù)，可以評(píng)價(jià)在決策過(guò)程中起作用的各因素對(duì)決策結(jié)果的影響。將老齡海底管道服役后期的處置方式問(wèn)題簡(jiǎn)化為1個(gè)決策目標(biāo)，選擇棄置作為決策目標(biāo)，從直接影響棄置決策的因素進(jìn)行分析建立屬性樹，例如延壽成本、管道的腐蝕情況、管道的修復(fù)情況、管道的損傷情況等。

在最初構(gòu)建屬性樹時(shí)，不考慮各因素的重要程度，全面考慮影響決策的所有因素，以保證與決策目標(biāo)相關(guān)的所有因素不會(huì)被遺漏，然后對(duì)最初的屬性樹進(jìn)行刪減，將重要程度小，對(duì)決策結(jié)果影響不大的因素刪除，得到精簡(jiǎn)之后的屬性樹。

多屬性效用的實(shí)現(xiàn)步驟如圖2所示。

圖2　多屬性效用理論的實(shí)現(xiàn)步驟Fig.2　Implement step of multi-attribute utility theory

1.3　模糊理論

由于缺乏數(shù)據(jù)、事故機(jī)理模糊等原因，專家打分是確定因素重要度的重要方法，但是打分法的精確性越來(lái)越不能滿足工程精度的要求，故引入模糊理論[15]對(duì)專家打分進(jìn)行更有效的數(shù)學(xué)處理。

定義1：若模糊數(shù)A的隸屬函數(shù)為

(1)

式中：a

(2)

(3)

(4)

三角模糊數(shù)的運(yùn)算法則如下：

(5)

(6)

1.4　風(fēng)險(xiǎn)效益率

延壽成本作為可量化的因素，用來(lái)評(píng)估延壽措施的經(jīng)濟(jì)性。采用Boardman A E.提出的風(fēng)險(xiǎn)效益率[16]概念，作為這一指標(biāo)的評(píng)分準(zhǔn)則。風(fēng)險(xiǎn)效益率的計(jì)算采用現(xiàn)值指數(shù)法，即在投資項(xiàng)目的壽命周期內(nèi)，將所有的成本和收益按照一定的貼現(xiàn)率折算為成本現(xiàn)值(C)和效益現(xiàn)值(B)，然后計(jì)算所有的成本現(xiàn)值和效益現(xiàn)值之比，所得結(jié)果為成本效益率，計(jì)算公式如下：

(7)

式中：Ci/Bi為某項(xiàng)目i的成本效益率；bit為某項(xiàng)目i在t年所產(chǎn)生的收益，萬(wàn)元；cit為某項(xiàng)目i在t年所支出的成本，萬(wàn)元；ki為某項(xiàng)目i的最初投入成本，萬(wàn)元；t為某項(xiàng)目i建造和投入使用的年數(shù)，a；n為某項(xiàng)目i的計(jì)算期，a；r為折現(xiàn)率。

2　老齡海底管道棄置決策流程

2.1　建立決策屬性樹

為建立棄置決策屬性樹，先進(jìn)行老齡海底管道服役狀況實(shí)地考察，收集管道維修資料、歷年檢測(cè)報(bào)告、事故統(tǒng)計(jì)資料；然后確定老齡海底管道棄置決策影響因素集，建立棄置決策屬性樹。老齡海底管道在服役后期，對(duì)其進(jìn)行延壽使用或棄置報(bào)廢的決策，主要受其安全性能的影響，所以評(píng)估因素的選取主要從影響老齡海底管道安全壽命的角度考慮。從機(jī)械損傷、腐蝕缺陷、管材性能等宏觀方面考慮影響管道服役狀態(tài)的因素，最終選定工程因素、風(fēng)險(xiǎn)因素、結(jié)構(gòu)因素作為屬性樹的一級(jí)指標(biāo)，安全經(jīng)濟(jì)學(xué)角度，一級(jí)指標(biāo)因素中引入延壽成本因素。指標(biāo)因素的選取對(duì)工程經(jīng)驗(yàn)依賴性較高，不同管道系統(tǒng)應(yīng)有不同的指標(biāo)因素。最后刪除難以量化的對(duì)決策影響程度很小的因素，得到簡(jiǎn)化的屬性樹。

圖3　老齡海底管道棄置決策屬性樹Fig.3　Attribute-tree for aging subsea pipeline abandon decision

2.2　模糊理論計(jì)算因素權(quán)重

結(jié)合老齡海底管道服役狀況以及管道詳細(xì)評(píng)價(jià)結(jié)果，通過(guò)專家打分，建立判斷矩陣，矩陣的各元素值是由專家給出某一層的兩因素相對(duì)于上一層同一因素的重要性比率。專家打分參照0～1標(biāo)度法給出具體數(shù)值(表1)。設(shè)計(jì)調(diào)查問(wèn)卷，獲得各指標(biāo)的相對(duì)重要性程度，調(diào)查問(wèn)卷應(yīng)詳細(xì)說(shuō)明調(diào)查目的和使用方法，并對(duì)各一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行說(shuō)明。打分人員包括管道技術(shù)人員、安全技術(shù)人員、管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)專家以及現(xiàn)場(chǎng)對(duì)管道運(yùn)行狀態(tài)及其影響因素有定性和定量了解的工作人員。

表1　0～1標(biāo)度法Table 1　0-1 scale method

由得出的因素間重要性比率的判斷矩陣，建立三角模糊數(shù)互補(bǔ)判斷矩陣，采用三角模糊數(shù)法整合各位專家綜合意見(jiàn)。

(8)

(9)

(10)

式中：k=1,2，…，n；n為調(diào)查問(wèn)卷中有效專家總數(shù)；Bijk為第k個(gè)專家給出的i，j因素的重要性比率；αijk為所有專家給出的i，j重要性比率的最小值；βij為所有專家評(píng)分結(jié)果的幾何平均值；γijk為所有專家給出的i，j重要性比率的最大值。

(11)

(12)

2.3　敏感性分析

用屬性樹中各二級(jí)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重乘以該指標(biāo)層所屬的一級(jí)指標(biāo)層在總目標(biāo)層的權(quán)重，由此得各指標(biāo)的排序指標(biāo)值，根據(jù)排序指標(biāo)值進(jìn)行排序，找出高風(fēng)險(xiǎn)因素和對(duì)決策影響較大的因素。

2.4　進(jìn)行老齡海底管道棄置決策

確定老齡海底管道棄置決策模型評(píng)分準(zhǔn)則。對(duì)于成本、服役年限、海流沖刷等易于量化的指標(biāo)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)值計(jì)算方法直接給出，對(duì)于不容易量化的因素由專家打分獲得。具體準(zhǔn)則見(jiàn)表2。

表2　老齡海底管道棄置決策影響因素評(píng)分準(zhǔn)則Table 2　Scoring criteria of impacting factors for aging subsea pipeline abandon decision-making

表中，腐蝕程度a、修復(fù)補(bǔ)丁r和海管堵塞g的量化方法分別由式(13)、(14)和(15)給出。

a=bmax/c

(13)

r=m/l

(14)

g=xmax/d

(15)

式中：a為腐蝕程度；bmax為最大腐蝕深度，mm；c為管道壁厚，mm；l某段為管線長(zhǎng)度，km；m為該段補(bǔ)丁數(shù)量，個(gè)；xmax為最大污垢沉積厚度，mm；d為管道內(nèi)徑，mm。

風(fēng)險(xiǎn)效益率應(yīng)用到老齡海底管道延壽維修問(wèn)題上，應(yīng)具體考慮延壽措施帶來(lái)的成本的增加和事故發(fā)生概率的減小。將公式(7)修改為式(16)來(lái)進(jìn)行延壽成本的量化。

(16)

式中：CBR為延壽成本；CM為延壽維修措施帶來(lái)的成本增加，萬(wàn)元；s為管道損害程度，分為輕度破壞(不需要維修也不會(huì)導(dǎo)致泄漏)中度破壞(需要維修但不會(huì)導(dǎo)致泄漏)和重度破壞(會(huì)導(dǎo)致泄漏)；CPs為某種損害下的生產(chǎn)損失，萬(wàn)元；CRs為某種損害下的維修費(fèi)用，萬(wàn)元；CCs為某種損害下的清污費(fèi)用，萬(wàn)元；g為海管堵塞程度；Po為風(fēng)險(xiǎn)減緩措施引起的某種損害程度發(fā)生的概率減少；r為折現(xiàn)率。

根據(jù)老齡海底管道棄置決策因素評(píng)分準(zhǔn)則得出各因素得分后，結(jié)合各因素的模糊權(quán)重，采用邏輯運(yùn)算求出各一級(jí)因素的綜合評(píng)分以及棄置決策綜合總評(píng)分，見(jiàn)式(17)和(18)。

(17)

Bk=Cki·ωki

(18)

式中：A為老齡海底管道棄置決策模型綜合評(píng)分；Bk為各一級(jí)因素的綜合評(píng)分；ωk為屬性樹一級(jí)指標(biāo)層各影響因素的權(quán)重；n為屬性樹一級(jí)指標(biāo)層各影響因素的個(gè)數(shù)；Cki為第k個(gè)一級(jí)指標(biāo)因素的第i個(gè)因子的評(píng)價(jià)得分；ωki為第k個(gè)一級(jí)指標(biāo)因素的第i個(gè)因子的模糊權(quán)重。

根據(jù)棄置決策綜合得分，建立老齡海底管道棄置決策參考表，對(duì)照參考表，可以進(jìn)行決策。若根據(jù)綜合評(píng)分老齡海管可以延壽使用或在監(jiān)測(cè)下使用，則應(yīng)優(yōu)先考慮敏感性較大因素的監(jiān)測(cè)。通過(guò)影響因素敏感性分析可以將風(fēng)險(xiǎn)因素按照對(duì)老齡海底管道服役狀況影響的大小排序，找出對(duì)決策影響較大的因素。

表3　老齡海底管道棄置決策參考表Table 3　Reference table for aging subsea pipelineabandon decision-making

3　實(shí)例分析

選取國(guó)內(nèi)某條海底管線的一段管道作為評(píng)價(jià)對(duì)象，進(jìn)行棄置決策分析。該管道已經(jīng)連續(xù)服役32a，進(jìn)入老齡期，服役期間發(fā)生過(guò)1次泄漏事故，已及時(shí)進(jìn)行了修復(fù)。管道為螺旋焊縫鋼管，管節(jié)之間采用環(huán)焊縫焊接連接，最大工作壓力為3.8 MPa，材質(zhì)為16 Mn，采用石油瀝青防腐。

從調(diào)查問(wèn)卷中獲得有效數(shù)據(jù)即專家數(shù)為3。整合專家意見(jiàn)，計(jì)算屬性樹各因素的相對(duì)權(quán)重。以機(jī)械損傷、腐蝕缺陷、修復(fù)補(bǔ)丁、海管堵塞為例，采用三角模糊數(shù)整合的專家意見(jiàn)為：

由式(19)計(jì)算模糊權(quán)重：

(19)

i分別取值1,2,3,4，得到機(jī)械損傷、腐蝕缺陷、修復(fù)補(bǔ)丁、海管堵塞對(duì)應(yīng)的模糊權(quán)重為：

ω1=(0.166 1,0.288 7,0.467 0)ω2=(0.219 8,0.325 5,0.492 8)ω3=(0.109 3,0.190 8,0.338 4)ω4=(0.106 1,0.190 5,0.365 5)

用式(20)將模糊權(quán)重值整合、正規(guī)化：

(20)

i分別取值1,2,3,4，得到機(jī)械損傷、腐蝕缺陷、修復(fù)補(bǔ)丁、海管堵塞對(duì)應(yīng)的模糊權(quán)重為：

由此可得，屬性樹一級(jí)指標(biāo)因素機(jī)械損傷、腐蝕缺陷、修復(fù)補(bǔ)丁、海管堵塞的相對(duì)權(quán)重為(0.281 9，0.328 0，0.194 2，0.196 3)。同理可得，施工改造、服役年限的相對(duì)權(quán)重為(0.134 6，0.865 2)；海流沖擊、材料老化、海生物附著的相對(duì)權(quán)重為(0.273 9，0.429 5，0.269 9)；工程因素、風(fēng)險(xiǎn)因素、成本因素、結(jié)構(gòu)因素的相對(duì)權(quán)重為(0.252 4，0.350 9，0.160 1，0.236 9)。計(jì)算各二級(jí)因素相對(duì)決策目標(biāo)的權(quán)重并排序，見(jiàn)表2。

表4　各影響因素敏感性排序Table 4　Ranking of sensitivity for impacting indicators

由以上排序可以看出，對(duì)決策影響較大的因素是老齡管道的服役年限(0.218 3)、腐蝕缺陷(0.115 1)、材料老化(0.101 7)，應(yīng)著重量化這些因素。

通過(guò)查閱老齡海底管道施工資料、歷史檢測(cè)資料、事故維修資料，以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、參數(shù)統(tǒng)計(jì)、專家打分得到各影響因素的評(píng)分，經(jīng)計(jì)算綜合得分為61.58，應(yīng)棄置。

4　結(jié)論

1)引入基于模糊理論的棄置決策模型，可將海底管道老化過(guò)程、損傷情況等狀態(tài)過(guò)程隨服役時(shí)間的增長(zhǎng)進(jìn)行更精確描述，解決了海底管道繼續(xù)使用或棄置回收的決策問(wèn)題缺少定量模型依據(jù)的問(wèn)題；運(yùn)用三角模糊數(shù)法綜合專家意見(jiàn)計(jì)算權(quán)重，降低人為因素的影響，避免了因素權(quán)重計(jì)算的主觀片面性，改善了現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法中存在的單值評(píng)價(jià)結(jié)果偏差較大的問(wèn)題。

2)首次引入成本效益率，綜合考慮管道損害程度、生產(chǎn)損失、維修損失、清污費(fèi)用、延壽措施帶來(lái)的損害概率的減少以及延壽措施帶來(lái)的成本增加，將成本對(duì)老齡海底管道棄置決策產(chǎn)生的影響合理量化，使棄置決策更加經(jīng)濟(jì)合理。

3)實(shí)際工程應(yīng)用中，老齡海底管道服役后期棄置決策受眾多復(fù)雜不確定因素影響，全面考慮各影響因素，通過(guò)專家篩選建立屬性樹，能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整影響棄置決策的相關(guān)因素。老齡海底油氣管道棄置模型的建立不拘泥于上文提出的模型，根據(jù)實(shí)地考察管道的服役狀況，綜合專家意見(jiàn)得出棄置決策屬性集，模型評(píng)分準(zhǔn)則的建立可根據(jù)屬性樹因素進(jìn)行調(diào)整，合理量化。

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